锅炉燃料分道燃烧与燃烧配风的研究

【摘  要】针对人造板行业锅炉燃料的变化性和多样性，通过对燃料的燃烧分析，进行燃料分道燃烧与燃料配风的研究，从而使燃料燃烧更充分，提高锅炉综合效率，达到环保节能的目的。

【关键词】分道燃烧;燃烧配风;木质燃料;砂光粉

引言

随着我国经济的发展，锅炉行业产品也随之迅猛发展，锅炉从原设计的单一性燃料逐渐发展为变化性和多样性的燃料，比如在人造板行业燃烧木质燃料的锅炉里，总伴随着另一种燃料砂光粉的燃烧，这两种燃料如何结合在一起燃烧，如何提高两者燃烧效率，节省的燃料成本，企业将会产生实际的经济效益。

通常燃烧木质燃料采用往复机械炉排为燃烧设备，燃烧砂光粉采用燃烧器喷入炉内燃烧，一旦两种燃料组合在一起燃烧，会出现很多难题和问题：如砂光粉的室燃空间、燃烧路径、行程时间和在炉排面的位置;在配风的设计上，炉排面固定碳燃烧需要的一次风、气态物质燃烧需要的二次风、伴着燃砂光粉的输送风和助燃风以及二次风的布置在参数、功能方面也显得无序与不确定。

采用分道燃烧的概念不同于组合燃烧：在布置和参量方面尽量遵循层燃与室燃的规则，并在设计燃烧方式、设备的布置、参量有明确的概念，使得锅炉运行操作方面将得到有序的调节。

要解决好木质燃料的燃烧必须具备三个必要条件，满足燃烧的空气;足够燃烧温度;充足的燃烧时间和空间。要解决好烧木质燃料的结渣堵灰问题必须做到：砂光粉及木质燃料充分燃烧;燃烧后进入锅炉对流段的烟气温度低于800℃;布置合理的燃烧空间及沉降空间，清灰设备的选用与布置。

下面将从多个方面阐述锅炉燃料分道燃烧与燃烧配风的原理。

1.砂光粉燃料的燃烧

1.1燃烧空气

砂光粉的组成：木质纤维、胶（尿醛树脂或酚醛树脂等）、砂带上掉下的石英砂、粘石英砂的胶（环氧树脂或三聚氰胺），砂光粉成分分析表格如下：

根据砂光粉的化学成份可以计算出每燃烧1Kg的砂光粉需要4.6Nm3的空气，一般在配风时空气过量系数取值1.2～1.3，所以每燃烧1Kg的砂光粉需配风6Nm3左右。为便于用热负荷的调整同时考虑风力输送的阻力和喷入炉子时的砂光粉速度不宜过高，风力输送时按每燃烧1Kg的砂光粉需配風3Nm3左右，不足的空气通过燃烧器的二次配风补充。

1.2燃烧温度

当木材加热温度达到110℃时，木材中的水分开始蒸发，温度升到150～180℃木材热解，释放出挥发份、甲酸、醋酸、二氧化碳;温度达到225℃时，挥发份开始着火;当温度升到400℃时挥发份燃尽，温度升到500～580℃炭着火并燃尽;当温度升至780～850℃重碳氢化合物燃烧并燃尽，燃烧过程结束。由于砂光粉的含水率很低，此时的理论燃烧温度可达到1700℃， 当空气过量系数为1.3时的实际燃烧温度为1450℃。由于砂光粉的着火点低、燃烧速度快、燃烧温度高，所以只要炉膛温度高于450℃或炉膛内有明火就可以喷入砂光粉。

1.3燃烧时间和空间

砂光粉充分燃烧所需时间为2秒，即必须保证砂光粉在进入锅炉对流段前在炉膛内的停留时间超过2秒钟。一般烟气在炉膛内的流动速度为3m/s，所以，为确保砂光粉的充分燃烧，炉膛设计时必须加大炉膛空间，保证燃烧烟气在炉膛内流程超过7m之后再进入锅炉对流换热区，避免锅炉受热面管子积灰。同时，燃烧空间大还可以防止砂光粉喷入炉膛在着火瞬间的爆燃。

1.4砂光粉的分道燃烧

在常规的燃烧室布置砂光粉的燃烧局限于空间位置的困难，只有加大设计炉膛空间才能实现：砂光粉燃烧器离炉排面6-7米，绝热炉膛高度7米，烟气调节温度后才能进入锅炉对流受热面，为了符合砂光粉的燃烧规律，提出砂光粉的分道燃烧。在炉排后拱上部设置砂光粉的燃烧室，设置的燃烧空间、燃烧路径符合空气动力场的要求，这样布置的燃烧室利用了炉排高度空间和深度空间，从燃烧器出口到燃烧室可达到6-7米的行程，另外燃烧空间容积较大，提高了砂光粉燃尽率，建立砂光粉的分道燃烧室可以组织两个独立的燃烧空气动力场，与炉排的燃烧空间独立运行，操作运行时互不干扰，实现砂光粉分道燃烧。

2.燃烧木质燃料的结渣堵灰

2.1结渣堵灰现象

目前在多台锅炉对流受热面中产生了严重的堵灰现象，锅炉出力减半;同时在烟气流程中同样结渣堵灰严重，配置的吹灰器系统不能清洁受热面。固体燃料都有不可燃烧的灰渣量，烟气夹带的干灰进入锅炉对流段一般都不会引起锅炉的严重的堵灰，而当灰渣紧密牢固的沾污在管壁上时，灰渣甚至会腐蚀管壁，那么应该从燃烧和烟气温度过高来考虑解决，受热面的布置再费心思也没有太多办法，严重的堵灰现象，将严重地影响了锅炉的效率以及企业的产值和效益。

2.2解决堵灰问题应从以下两个方面着手：

其一，要保证砂光粉及木质燃料的充分燃烧;

由于木质燃料和砂光粉含有大量的胶，若燃烧不充分，带胶的灰在适当的温度和物理化学条件下，很容易粘附在锅炉对流管束上或相互粘结而形成堵灰。尤其是石英砂上的环氧树脂，其固化温度和燃烧更高，更难燃尽，且环氧树脂的粘结强度更高。为防止粘结性堵灰，须保证砂光粉及木质燃料及胶充分燃烧。

解决的途径为：设计的燃烧空间要大，木质废料在炉膛里停留的时间要长，烟气在进入对流段前的行程要长。

其二，燃烧后的烟气温度要进行调节，使进入对流段的烟气温度低于800℃;

当喷燃砂光粉时，炉内燃烧温度达到1300～1500℃，砂光粉燃烧后灰份是熔融状态，如不充分冷却，熔融状态或高于开始软化温度的灰份直接进入锅炉对流管束，遇到低温的管壁，就牢牢的粘附在对流管束上，造成对流管束堵灰搭桥，灰渣甚至腐蚀管壁，及难清除，是炉子堵灰的最主要原因和最难处理的问题。

木质燃料的灰份虽然较少，但在加工过程中混入其它非可燃物，从灰份上分析，木质燃料的灰份主要由碱性化合物构成，如氧化钙（CaO）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）等。由于碱性化合物具有助熔的作用，同其他非可燃物混合形成了共熔化，通常情况下，共熔化的融熔温度在800℃以下。如使燃烧后进入锅炉对流段的烟气温度低于800℃，则进入对流管束灰份为干灰，不会粘附在对流管束上，可以通过吹灰系统来清除。

现国内外解决这种堵灰有两种途径：一种是比较被动的方法，既控制燃烧温度或在烟气进入对流段兑入低温的烟气或冷空气，此种方法的缺点是耗能，控制系统复杂，且很难准确的控制，一旦没控制好累积后也会导致堵灰。另一种方法是，在锅炉辐射段适当多布置受热面，以吸收烟气的热量使烟气进入锅炉对流段前的温度降低至800℃以下，这种方法控制较前一种方法更稳定可靠。

3.分道燃烧——道不同，不能为伍

（1）分道燃烧是把悬浮室式燃烧与炉排层状燃烧分开。考虑到炉排的燃烧强度在后炉排很弱，炉排有足够长度，砂光粉燃烧器布置在后墙，提高后拱高度，火焰在后拱与炉排保护拱之间，充分利用了燃烧室深度方向的空间，砂光粉的燃烧路径在燃烧室内就可达到7米，再进入辐射炉膛余烬燃烧，砂光粉在此空间内均能有效的燃尽，提高了砂光粉燃烧的综合效率。（2）分道燃烧不可以把悬浮室式燃烧与炉排层状燃烧在燃烧布局的概念一致化，悬浮室式燃烧为燃烧室内气态燃烧，其分道为“空中”，炉排层状燃烧为炉排面上固态燃烧，其分道为“地面”，两者道不同，从而要求各分道配风的设计条理清晰，操作运行清晰有序。（3）分道燃烧布局的合理性，在于燃烧布局的清晰性，表现在需足够的燃烧路径，需足够的燃烧空间，需足够的燃烧停留时间，只有这样，才能充分的燃尽燃料，提高燃烧效率，达到环保节能的目的。

4.燃烧配风

（1）木质燃料和砂光粉两种燃料的两种燃烧方式给配风布置带来很多复杂性，要做到配风是否干扰燃烧温度和动力场，并且在运行操作时调风有规律可循，就要在风量、风压、管道布置、调节方法上合理。分道燃烧的后配风布置概念比较明确，砂光粉的燃烧按照悬浮燃烧的配风方式;木质燃料的燃烧按照层燃方式根据燃料特性要求配风，最后调整炉膛出口的烟气温度由低温烟气或者冷风来调节。（2）炉排上燃烧的木质燃料是低固定碳高挥发份的燃料，挥发份的燃烧是气体燃烧，在炉排上部的燃烧室燃烧，按照气体燃料的燃烧热强度进行布置，木质燃料的固定碳在炉排上燃烧，需要炉排的配风和床面燃烧，炉排前段是木质燃料干燥和挥发份开始析出的阶段，需要的热量来自炉膛的热辐射和烟气的热对流;中间段是挥发份大量析出和固定碳开始燃烧的阶段，原则上挥发份的燃烧由炉膛的二次风供应，由于挥发份的量很多并且燃烧强烈，炉排面应该供应一定的风量，造成气体动力燃烧的流场，另外固定碳开始燃烧也需要空气;炉排的后段是固定碳的燃烧和燃尽阶段，尚需要一定的空气。这样炉排每组工段的配风具有合理性及科学性。（3）提供炉排燃烧配风称为一次风，风量的计算：按照炉排上固定碳燃烧的空气量和造成动力燃烧需要的风量来计算，再考虑空气过量系数，风量为燃烧总空气量的百分之30%-40%;风压的计算：综合考虑消声器、空气预热器、沿程管道、弯头、变径、调节风门、扩口等是一系列阻力元件因素，空气进入炉排风室后就只有静压，这部分风经过炉排和料层的阻力元件后压力消失，参与燃烧反应后成为烟气。炉排面上的压力是零，由于引风机的拉力和使炉膛在负压下运行（安全），烟气流和一部分粉尘被吸出燃烧室称为飞灰。（4）在分道燃烧布置时，二次风的作用是组织挥发份的气体燃烧和封锁炉排面上逸出的粉尘，二次风的布置分高低两个位置：低位在炉墙两侧墙，高位在炉墙前后墙。在炉排面的两侧布置低位二次风，风量基本在中间偏前，高度离炉排面1.4-1.7米左右，这两股风的射程是炉膛宽度的2/3，以小管径两侧交叉布置，两侧低位二次风的风量设定燃烧挥发份70-90%考虑;前后布置高位二次风，主要的作用是用来补燃和调节炉膛出口烟气温度，控制烟气在进入辐射室时不结焦渣，同時在进入对流受热面时基本没有粘结力，以便用吹灰的方式可以清洁管壁，此时温度要控制在800-850℃左右，高位二次风有封锁上升烟气的颗粒作用，同时补充贴壁的可燃气体（尤其是一氧化碳）的燃烧，其射程是炉膛深度的3/4，为了使高位二次风对上升烟气产生扰动，采取前低后高的布置方式，前后喷嘴交叉布置。（5）砂光粉的燃烧风：砂光粉的输送风（燃烧器一次风）是由高压头的罗茨风机提供，为了控制砂光粉的燃烧温度，在风机选择时需考虑40-50%的燃烧余量，风量（燃烧器二次风）按燃烧温度1100℃时考虑，风压由燃烧器阻力提供。

5.结论

通过对锅炉燃料分道燃烧与燃烧配风的研究，使锅炉更适应当前变化性和多样性的燃料，提高锅炉燃烧效率，突破传统锅炉燃烧效率低下的技术瓶颈，另外，锅炉可减少结渣堵灰现象，保障了锅炉使用寿命，对于锅炉使用单位而言，采用锅炉燃料分道燃烧技术，可取得直接的经济效益。

参考文献

[1] 邢秀峰，刘建华等，风道燃烧器燃烧特性试验研究[J].山西电力，2016，第4期;

[2] 王敦恩，张科等.工业锅炉设计计算方法[M].中国标准出版社，2005.

作者简介：韦隽（1982.1--），男，仫佬族，广西柳州人，中级工程师，技术总工程师，学士，从事生物质能源技术与开发研究。